高性能音频放大器的设计准则与技巧

      现在许多传统高功率音讯放大器的每通道输出功率在100瓦以上，并且大多采用分离式的电路组件。因此，为了确保输出的稳定性和音效，工程师通常需要花很大精力对高传真音讯放大器进行匹配和调节。

      本文以美国国家半导体的音讯驱动器LME49810为例进行说明，该组件可提供200V的峰峰值输出电压摆幅，并可驱动不同类型的输出级，适合高阶消费和专业级音讯应用，包括主动录音室监视器、超重低音扬声器、音讯/视讯接收器、商用扩音系统、非原厂音响、专业级混音器，分布式音讯和吉他放大器等。此外，也适用于各类高电压及低失真要求的产业用音讯系统。可为音讯系统提供更精简的设计，协助设计人员更容易的开发出高性能音讯系统，实现更高的稳定性和一致性，大幅减少系统研发和生产时的分离式组件匹配及调节工作。

设计技巧

      采用美国国家半导体的音讯驱动器来设计高质量音讯系统的方法有很多。以下为设计建议。
输入级：输入级设计是放大器最关键的一环。透过来自反馈的讯号进行相减，输入级会产生一个误差讯号，然后把这个误差讯号驱动到输出。该误差讯号通常很小，足以为放大器提供足够的线性度。
LME49810是一款双极输入放大器，其输入阻抗的匹配性相当重要。受来自正输入埠和负输入埠的偏置电流的影响，输入阻抗的失配会导致输入偏移电压。该输入偏移电压将按照死循环增益放大。当然，LME49810的输入偏置电流很低，对于一般的应用来说，出现在输出的偏移电压可以忽略。
 

                  图1：输入级和反馈应用示意图。

      一般来说，通常采用的的音讯输入设计有两种：交流或直流耦合输入。交流耦合输入的优点是来自前置放大器、滤波器级或编译码器级的放大器输入直流偏移一般都是零，且无需在放大器中加入任何的直流伺服电路来防止直流故障。而直流耦合输入的优点则是无需使用大尺寸和昂贵的交流耦合电容；不会出现由交流耦合电容所产生的低频失真；可减轻交流耦合RC网络的噪声。

      负反馈系数：功率放大器的负反馈设置可为系统带来较高的稳定性和线性度。当放大器在高频工作时会出现相位位移，而较大的负反馈系数可减轻在高频时的不稳定性和振荡。在分离放大器系统中，高反馈系数将会引起很差的瞬态响应或高频不稳定性。然而，LME49810拥有一个较高的开环增益，因此它的死循环增益误差和电源纹波抑制会较小，可以最大化电路中的负反馈，因而提高系统的线性度。通常，建议采用30dB至40dB的电压增益。

 
                                     图2：输出偏置电路结构。

      补偿：放大器的补偿是用来调节开环增益和相位性能，以便当反馈被关闭时能把系统稳定下来。一般来说，要获得较高的稳定性补偿越大越好。可是，补偿越大，音讯芯片的频宽和压摆率就越低，而较低的压摆率会使系统产生出较柔和的音讯特性，相反较高的压摆率则可产生较清晰和真实的音讯特性。LME49810的密勒补偿是透过在‘Comp’和‘BiasM’接脚之间加插一个电容来实现的，最适合的电容取值范围是10p到100p。此外，补偿电容的等效串联电阻(ESR)应较低，以避免电容的等效串联电阻引发潜在零点。在一般情况下，采用陶瓷电容要比采用电解电容的效果更好。

      静音：MUTE接脚是由流进的电流量所控制。从50uA到100uA为‘PLAY’模式，而低于50uA的为‘MUTE’模式。建议不要让流进MUTE接脚的电流超出200uA。

      输出偏置：LME49810有两个用来设定偏置的专用接脚(BIASP和BIASM)，可以提供一定的输出偏置电流。可变电阻器Rpot可用来调节输出级的偏置电流，将Rpot+ R b1的电阻降低可以提高偏置电压。倍增器QMULT用来补偿偏置电压以防止双极输出晶体管出现热漂移。QMULT必须与输出晶体管连接在相同的散热器上。

      输出晶体管：音讯功率放大器中最常见的输出级是图3所示的射极跟随器。它通常都被称为双射极跟随器或达林顿管。其中第一个跟随器会作为输出级的驱动器。

 
 
                                               图3：输出射级跟随器。

      射极跟随器的大讯号线性度主要取决于负载的大小。随着负载增加(即负载电阻减少)，输出电流亦同时会增加。受RE和位于高电流密度的β滚降的影响，BJT电流增益会减少。这种情况下，可能会降低线性度并增加在输出级的失真。对于比较高功率的应用来说，建议采用多级输出来维持高电流和更佳的线性度。LME49810音讯驱动器拥有约50mA的输出电流，它可以根据要求配置成达灵顿管或平行晶体管输出。

      输出级晶体管放大匹配：双射极-跟随器或达林顿管通常都拥有一个高的电流增益系数Ic=βIb。为了提高输出级的稳定性，负极端和正极端的电流放大必须匹配。

 
                                       图4：射级负反馈电阻的应用。 [page]

    对平行晶体管配置来说，必须确定中等功率晶体管的驱动能力。中等功率晶体管的输出电流(Ic)必须大于高功率晶体管的最小驱动电流(Ib)以免在中等功率晶体管级上出现过载。

    输出晶体管的电压范围：VCBO和VCEO电压的最大范围必须大于电源电压的轨到轨范围。对于一个有+/-100V电压供应的放大器，晶体管的电压额定应该高一点以保证它能够在规定以内正常地运作。

    射极电阻器RE：在高功率的音讯放大器应用中，输出晶体管的匹配性、电流平衡和保护对于功率放大器的线性度来说非常重要。建议采用射极负反馈电阻器RE来改善输出晶体管的匹配性和电流平衡能力。因此，我们建议在实际的高功率音讯放大器应用中加入这种电阻。然而，将RE与输出晶体管串联在一起会降低放大器的线性度。电阻RE是交越失真的主要失真来源。当输出晶体管的一端关闭而另一端开启时便会出现这种失真。因此，必须最佳化RE值并且尽可能的将RE维持在较低水平，这样可以降低对非线性度的影响。